酶的作用机制和酶的调节
酶的催化机制
- 酶分子结构是酶功能的基础
- 酶的高效和专一，均由其结构特殊性所决定
- 酶蛋白的结构比一般结构性蛋白复杂得多
- 酶的特殊催化活性，不仅取决于其一级结构，而且取决于其高级结构
酶活性部位
定义
酶分子中能同底物结合并起催化作用的空间部位
- 结合部位：与底物的结合，决定酶的专一性
- 催化部位：催化底物键的断裂及形成新键，决定酶催化能力
结合部位
- 酶分子中与底物结合的部位或区域
- 固定底物，使参加化学变化的基团相互接近并定向
催化部位
- 酶分子中促使底物发生化学变化的部位
- 使底物的价键发生形变或极化，激活底物或稳定过渡态
酶活性部位共同特点
- 只占酶分子总体积的1%-2%
- 具有特征三维空间结构，是一个三维实体
- 与底物是以诱导契合方式结合的
- 通常位于酶蛋白的两个结构域或亚基之间的裂隙，或位于蛋白质表面的凹槽，是相当疏水的区域（疏水微环境）
- 大多数底物通过次级键与酶结合
- 具有柔性或可运动性
- 具有柔性或可运动性
- 常含有与底物结合并产生催化作用的氨基酸残基，如His, Ser, Lys, Asp, Cys等（具有亲核或者酸碱性R基）
酶-底物中间复合物学说
E-S复合物的形成，一方面活化了底物分子，另一方面将底物定向契合在酶的活性部位，从而大大提高了反应速率和专一性
酶的作用机理
- 酶促反应机制：酶催化过程中酶分子与底物分子互相作用及其反应过程中键的断裂和新键形成的机理
- 酶作用搞效率的机制：活化能降低；反应几率增加
酶催化反应的独特性质
- 酶反应：电子转移、电子和质子或其他基团转移
- 参加催化作用，氨基酸侧链功能基团和辅酶
- 最适pH范围通常狭小，近中性
- 一般酶分子较底物大很多
- 酶分子复杂的结构使催化反应成为可能
酶作用高效率的机制
邻近定向效应
邻近效应
酶和底物结合形成中间复合物后，使底物和底物分子之间、酶的催化基团与底物之间结合与同一分子而使有效浓度得以极大的提高，从而使反应效率大大增加的一种效应
定向效应
反应物的反应基团之间和酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确取向产生的效应
- 由于酶的特殊结构，能将参加反应的底物分子结合在活性部位上，使作用基团相互靠近并定向
- 邻近效应和定向效应可使双分子反应速率提高
倍
底物形变与诱导契合
许多活性部位开始与底物并不相适合，但为了结合底物，酶的活性部位进行诱导契合以适配底物，一旦与底物结合，酶可以使底物变形，使得敏感键易于断裂和促使新键形成
广义酸碱催化
狭义的酸碱催化
- 仅利用水中的
或 离子进行此类催化作用 - 催化速率只取决于溶液的pH值，而与溶液中其他酸或碱的浓度无关
广义的酸碱催化
- 由其他类型分子介导的质子转移过程
- 酸碱催化是通过向反应物提供质子或从反应物接受质子以促进过渡态的形成以及稳定过渡态，加速反应的一类催化机制
- 酸碱催化可提供约
至 数量级的速率提升
共价催化
共价催化又称亲核催化或亲电子催化，主要通过一个底物或底物的一部分与催化剂形成共价键催化基团的转移反应，在酶作用下的共价催化中，一个底物的一部分首先转移到酶上，然后再转移到第二个底物中
- 催化剂通过与底物形成不稳定的共价中间复合物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的机制，称为共价催化
- 酶中参与共价催化的基团主要包括：咪唑基(His)，巯基(Cys)，羧基(Asp)，羟基(Ser)
金属离子催化
几乎1/3的酶都需要一个甚至几个金属离子的参与才能具有催化活性
- 通过静电稳定或屏蔽负电荷
- 通过结合底物为反应定向
- 通过可逆地改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应
多元催化和协同效应
- 酶活性中心一般含多个催化性基团，并有特殊的排列和取向，对底物价键的形变和极化，以及调整底物基团的位置等起协同作用，从而使得底物达到最佳反应状态
- 许多酶通过几种催化机制共同达到提高速率的目的
活性中心是低介电环境
酶活性部位常是相当疏水的区域，其作用：
- 增强酶与底物的相互作用，脱溶剂化作用
- 有利于某些基团的反应
某些酶的活性中心和作用机理
溶菌酶
广泛存在于鸡蛋清、动物泪液和唾液中，催化细菌细胞壁肽聚糖的水解，从而溶解细菌的细胞壁，天然的抗菌防御物质
细胞壁肽聚糖是N-乙酰氨基葡糖和N-乙酰氨基葡糖乳酸的共聚物
催化过程
结合在D位点的糖环被迫发生变形，从椅式构象扭曲为半椅式构象，如果不发生变形的话，那么底物无法进入到活性中心
断裂D位糖的
胰凝乳蛋白酶
胰凝乳蛋白酶特异地切割与芳香族氨基酸相邻的肽键
胰凝乳蛋白酶的"催化三联体"是经典机制,可比作"三人犯罪团伙"切断肽键
1. 催化三联体成员
三个氨基酸在空间上靠近,形成接力网络:
- 丝氨酸 (Ser 195)
- 有-OH羟基,平时稳定
- 直接接触底物,负责攻击
- 组氨酸 (His 57)
- 广义碱,抢夺质子H⁺
- 活化Ser,使其攻击性增强
- 天冬氨酸 (Asp 102)
- 带负电(-COO⁻)
- 稳定His位置
2. 催化过程
核心是"电荷接力系统":通过传递质子改变电子分布。
第一阶段:活化
- Asp用负电荷固定His位置
- His夺走Ser的H⁺
- Ser变成强亲核的O⁻
第二阶段:形成酰基-酶中间体
- Ser-O⁻攻击肽键羰基碳
- 肽键断裂,一半离去,一半挂在Ser上
- His将H⁺还给离去部分
第三阶段:水解
- 水分子进入
- His夺走水的H⁺,水变成OH⁻
- OH⁻攻击挂在Ser上的部分
第四阶段:复原
- 产物离去
- His将H⁺还给Ser
- 酶恢复原状
酶活性的调节
酶除了具有催化功能外，还具有调节和控制各类生物化学反应速度、方向和途径的功能
酶活性的调控作用主要有两种方式：
- 激活或抑制酶的活性（酶水平调控）
- 别构调控
- 共价修饰调控
- 酶原激活
- 改变细胞内酶的含量（基因水平调控）
别构调节
多酶体系：一个代谢途径有多步酶促反应组成
限速反应：决定一个代谢途径总的反应速率，催化限速反应的酶通常是一种调节酶
调节酶：具有催化和调节作用的双功能酶，别构酶是一类调节酶
别构酶：具有别构调节作用的酶
别构酶
- 又称变构酶
- 为寡聚酶（含2个或2个以上的亚基），一般分子量较大，且具有复杂的空间结构
- 大多数不遵循米式方程，由效应剂引起的抑制作用也不服从典型的竞争性或非竞争性抑制作用的数量关系
别构酶的特点和性质
几个概念
别构部位是指酶分子上不同于其活性中心的、特异的调节位点
别构效应剂（变构剂，调节剂）是能够可逆地、特异性地结合到别构部位，并通过引起蛋白质构象变化来调节其功能的小分子物质
根据产生的效应，分为激活剂和抑制剂
别构调节作用指通过效应剂结合在别构部位，诱发蛋白质构象发生可逆变化，从而远程调节其活性中心功能的整个过程和机制
别构酶的动力学特征有别于米氏酶
别构酶[S]对
别构酶举例
天冬氨酸氨甲酰转移酶（ATCase）
天冬氨酸氨甲酰转移酶的两种状态：
协同结合机制模型
- 齐变模型，也称为对称驱动模型或MWC模型
- 序变模型，也称为配体诱导模型或KNF模型
可逆的共价修饰调控
共价修饰调控
某些酶分子上的基团通过发生共价修饰作用引起酶活性的激活或抑制
- 被修饰的酶可以有两种互变形式：
- 活性形式（具有催化活性）
- 非活性形式（无催化活性）
- 共价修饰是可逆的
- 共价调节酶：这种调控作用是通过共价调节酶进行的，通过其它酶对其多肽链某些基团进行可逆地共价修饰，使其处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性
- 共价修饰类型：共价修饰的基团主要是磷酸化、腺苷酰化、尿苷酰化及ADP-核糖基化和甲基化等
蛋白质的磷酸化
蛋白质的磷酸化和脱磷酸化过程是在生物体内存在的一种普遍的调节方式，由蛋白激酶和蛋白磷酸化酶共同完成
蛋白质的磷酸化是指由蛋白激酶催化的把ATP或GTP磷酸位转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其逆过程由蛋白磷酸酶催化的，称为蛋白质的脱磷酸化
酶原的激活
- 有些酶在生物体内首先合成出来的是它的无活性前体，称为酶原
- 酶原经水解去除一部分肽链，使酶的构象发生变化，形成有活性的酶分子
- 酶原激活过程是不可逆的
- 属于这种类型的酶有消化系统的酶（如胰蛋白酶、靡蛋白酶和胃蛋白酶等）以及凝血酶
- 胰蛋白酶是所有胰脏蛋白酶原的共同激活剂
核酶、同工酶
核酶
具有催化能力的RNA分子
主要功能
- 剪切RNA：核酶可以像剪刀一样，把一段RNA链上的特定部位剪断
- 拼接RNA：把切断的RNA片段重新连接起来
- 合成蛋白质：核糖体本质上就是一个巨大的核酶
本质
核酶是具有催化能力的核糖核酸
- 核酶的化学本质是RNA
- 核酶具有生物催化功能
- 核酶催化的反应表现出酶促反应的经典标志
- 核酶具有催化中心
同工酶
催化同一反应，但其蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶
- 相同点（同工）：
- 催化同一个化学反应
- 具有相同的底物特异性
- 不同点（异构）：
- 分子结构不同
- 理化性质不同
- 动力学性质不同
- 分布不同
生理意义
同工酶的存在并不是冗余，而是生物体为了适应精细的代谢调节：
- 代谢调节
- 组织特异性
- 发育阶段适应
